C++多线程与并发类面试题

可以使用<thread>库来创建和管理线程
C++11中提供的线程类叫做std::thread，
只需要为thread提供线程函数或者函数对象即可，
（thread没有拷贝构造函数和拷贝赋值函数）

在 C++ 中，线程同步的常见方法包括互斥锁（std::mutex）、
条件变量（std::condition_variable）等。

互斥锁用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程能访问。
条件变量通常与互斥锁配合使用，用于线程间的等待和通知。

在 C++ 中，原子操作是一种不可分割的操作，
即在执行过程中不会被其他线程中断。
其作用在于确保多线程环境下
对共享数据的操作不会出现数据竞争和不一致的情况。

按固定顺序获取锁，避免不同线程以不同顺序获取多个锁。

尽量减少锁的持有时间，只在必要时持有锁。

使用超时机制，避免无限等待锁。

1. 固定加锁顺序
如果多个线程需要获取多个互斥锁，
确保所有线程以相同的顺序获取这些锁。
这样可以避免出现循环等待的情况，从而防止死锁。

2. 尝试一次性获取所有锁
使用 std::lock 函数可以尝试一次性获取多个互斥锁，
避免了在获取多个锁的过程中出现死锁的可能性。
如果无法一次性获取所有锁，
std::lock 会自动释放已经获取的锁，
然后等待一段时间后再次尝试。

3. 避免嵌套锁
尽量避免在已经持有一个锁的情况下再去获取另一个锁。
嵌套锁容易导致死锁，
因为如果多个线程以不同的顺序嵌套获取锁，
就可能出现循环等待的情况。

4. 使用超时机制
在获取锁时设置一个超时时间，
如果在超时时间内无法获取锁，就放弃获取锁并采取其他措施。
这样可以避免线程无限期地等待锁，从而防止死锁。

5. 及时释放锁
在使用完锁后，及时释放锁，以便其他线程可以获取锁。
如果一个线程长时间持有锁而不释放，就可能导致其他线程无法获取锁，从而引发死锁。

在 C++ 中，线程间通信的方式有多种，
比如共享内存、消息队列、管道等。
共享内存是多个线程可以访问同一块内存区域来交换数据。
消息队列则是通过发送和接收消息来实现通信。
管道类似于消息队列，但通常用于具有亲缘关系的进程间通信。

(1)优势

提高性能和效率：

多线程编程可以充分利用多核处理,将任务分配到不同的线程中并行执行，从而显著提高程序的执行速度。
例如，在图像渲染、视频编码等计算密集型任务中，多线程可以将工作负载分配到多个线程，每个线程处理图像的一部分或视频的一帧，大大缩短处理时间。

异步操作：多线程允许程序同时执行多个任务，无需等待一个任务完成后再开始另一个任务。
例如，在网络应用中，可以使用一个线程处理用户输入，同时使用另一个线程从网络下载数据，提高用户响应速度。

增强程序的响应性：

在图形用户界面（GUI）应用中，多线程可以确保界面保持响应。
例如，在一个复杂的数据分析应用中，
主线程可以负责显示用户界面，而另一个线程可以在后台执行耗时的计算任务。
这样，用户可以继续与界面进行交互，而不会因为计算任务而感到程序卡顿。

对于长时间运行的任务，可以将其放在单独的线程中执行，以免阻塞主线程。例如，在文件下载应用中，下载任务可以在后台线程中进行，同时主线程可以显示下载进度和处理用户的暂停、取消等操作。


(2)挑战

线程安全和同步问题：

数据竞争：当多个线程同时访问和修改共享数据时，可能会导致数据竞争。例如，两个线程同时增加一个全局变量的值，如果没有正确的同步机制，可能会导致结果不正确。为了避免数据竞争，需要使用同步机制，如互斥锁（mutex）、条件变量（condition variable）和原子操作（atomic operation）。

死锁：当两个或多个线程相互等待对方释放资源时，就会发生死锁。例如，线程 A 持有资源 X，等待资源 Y，而线程 B 持有资源 Y，等待资源 X，这时两个线程就会陷入死锁状态。为了避免死锁，需要仔细设计线程的同步策略，确保资源的获取顺序一致，并避免嵌套锁的使用。

竞态条件：当多个线程的执行顺序不确定时，可能会导致竞态条件。例如，一个线程检查某个条件，然后另一个线程改变了这个条件，导致第一个线程的操作结果不正确。为了避免竞态条件，需要使用同步机制来确保线程之间的正确顺序和操作的原子性。